Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

Zašto je tako teško baciti raketu na njen rep

Slika dugog izlaganja SpaceX Falcona 9 prikazuje lansiranje, povratak i opekline od slijetanja. Fotografija ljubaznošću SpaceX-a

U ponedjeljak, SpaceX Elona Muska postigao je nešto što je većina ljudi u raketnoj industriji smatrala gotovo nemogućim: po prvi put ikada, raketna faza koja je isporučila teret u orbitu okrenula se i vratila na Zemlju, sigurno sletjela na rep.

Dobivanje rakete s tla je dovoljno teško, ali znanost je dobro shvaćena i fizika je prilično osnovna. Međutim, suprotno od toga je izazov. Sletanje visokog, mršavog plovila sigurno je sasvim drugi problem.

Napuštamo Zemlju

Prvo, temeljni dio na lakšem dijelu. Za ulazak u orbitu, raketa mora prevladati i gravitaciju i povlačenje. Dizajnirati raketu da bi bila dobra u tome, nažalost, opet je jako teško.

Osnovna fizika rakete jednaka je za NASA-inu raketu ili model rakete koju je pokrenula 9-godišnjakinja. Središte mase rakete (točka unutar rakete oko koje je sva masa ravnomjerno raspodijeljena) mora biti poravnato sa središtem potiska i vektorom potiska. Ako ne, raketa će se okretati umjesto da leti ravno.

Dizajneri raketa također moraju misliti na centar lifta, koji je točka na kojoj se zbrajaju svi izvori proizvedeni dijelovima - krilima, kontrolnim površinama i aerodinamičnim dijelovima trupa -. Lako je o tome misliti, zapravo, kao o središtu povlačenja. Kako se raketa lansira, središte povlačenja kretat će se na način da ga drži izravno iza središta mase. Raketa koja leti u toj konfiguraciji bit će stabilna.

Ali kako raketa gori gorivo, središte mase će se pomaknuti. Ako se središte mase kreće unatrag iza središta povlačenja, raketa koja je stabilna postat će nestabilna. Vozilo za dizanje koje je obavilo svoj posao vjerojatno je vrlo blizu da bude u ovoj nestabilnoj konfiguraciji, zbog toga što je sve pogonsko gorivo izbačeno iz lansiranja.

Dolazim kući

Doći do orbite je dovoljno teško. Ali spuštanje rakete na rep je teže, jer je s gotovo suhim spremnicima raketa mnogo nestabilnija nego kad je lansirana. Pristanak SpaceX-a 21. prosinca nije bio prvi pokušaj tvrtke: pokušali su i propali u dva navrata.

Oba prethodna pokušaja iskrcaja rakete napravljena su na splavi u more. To je bio prvi pokušaj na kopnu, koji je imao neke prednosti. Suha zemlja se ne okreće, a novoizgrađena postaja za slijetanje (LZ-1) na rtu je mnogo veća. (Premda su, prema priznanju SpaceX-a, sletjeli desno na sredinu bloka.)

Mnogo je o novouređenom Falconu 9 koji ga čini jedinstveno sposobnim za slijetanje nakon lansiranja. Većini raketa je potrebno svo njihovo raspoloživo gorivo da bi koristili svoj teret u orbitu. No, Falcon 9 je izgrađen s obzirom na mogućnost ponovnog korištenja i gotovo 30% marže u gorivu, što mu je omogućilo isporuku SpaceX Dragon kapsule, ili drugog tereta kao što je 11 ORBCOMM satelita podignutih na orbitu u ponedjeljak, i još uvijek ima dovoljno goriva za povratak u prvoj fazi.

Potrebno je dodatno gorivo za kočenje prve faze. Nakon drugog stupnja razdvajanja i paljenja, a dok je još uvijek hipersonična, motori prve faze su relit, kočenje i okretanje pozornice prema mjestu slijetanja u "burnback" opekotini. Kasnije tijekom ponovnog ulaska nastaje još jedna opeklina, ovaj put koristeći samo tri od devet glavnih potisnih motora. Naposljetku, "terminalna" opeklina koristi jedan motor za usporavanje rakete na mekani touchdown.

Ali to nije samo dodatno gorivo koje je potrebno. Falcon 9 ima i mala, sklopiva krila otporna na toplinu koja se naziva rešetkastim perajama. To je potrebno da bi se upravljalo pozornicom kako ona pada, rep-prvo, s ruba prostora kroz atmosferu. Peraje su stavile vuku iza vektora silazne rakete, držeći motor upućen u vektor letenja, gdje je samo nekoliko minuta prije, svaki zakon fizike činio da raketa leti u točno suprotnoj konfiguraciji.

Prva faza također ima potisnike hladnog plina smještene prema vrhu rakete koje se koriste za okretanje rakete tako da se glavni motori mogu ponovno postaviti i izvesti potisni udarac. Konačno, pozornica je opremljena nogama za spuštanje koje se aktiviraju dok dodiruju.

Infografija prikazuje faze u lansiranju i sletanju SpaceX's Falcon 9. Slika ljubaznošću SpaceX-a

Svi ovi sustavi su (i trebaju biti) potpuno automatizirani - reagiraju i prilagođavaju svoja ponašanja na temelju podataka u realnom vremenu iz ugrađenih senzora. Stvari se događaju prebrzo, a raketa je suviše trzav, da bi čovjek njome upravljao. To je posao koji je najbolje prepustiti računalu.

Razlog zbog kojeg je raketa teško kontrolirati u konfiguraciji slijetanja ima mnogo veze s centrima mase i otpora o kojima smo ranije razgovarali. Falcon 9 mora biti visok i tanak, tako da može biti učinkovito pokretno vozilo, ali ta točna konfiguracija čini zvijer koju treba kontrolirati dok se spušta.

Dok se potisnici hladnog plina koriste za rotaciju rakete prije opeklina, Falcon 9 koristi svoje glavne motore kako bi osigurao lom i (gotovo sve) rotacijski (kutni) potisak potreban za upravljanje i spuštanje pozornice na tlu. Drugim riječima, sav okretni moment za okretanje rakete primjenjuje se na jednom kraju rakete, bez uravnoteženja potiska na drugom kraju. Samo pokušajte balansirati dršku metle na vrhu prsta, glavom prema gore, da vidite kako je to teško.

Moguće je, ali zato što dajete silu na jednom kraju, ona je vrlo nestabilna i ispravke treba provoditi kontinuirano. A budući da raketni motor koji osigurava te korekcije (kako bi održao pozornicu uspravnom i stabilnom) također se koristi za kočenje padajuće prve faze prema slijetanju, a također i za horizontalno vektoriranje, to je težak problem u realnom vremenu.

Ako se raketa suviše približi i centar mase se pomakne izvan ruba repne rakete, osim ako se odmah ne pomakne natrag u suprotnom smjeru, stupanj rakete će postati nepopravljiv. Kraća, squatter raketa bila bi lakše kontrolirati za slijetanje, ali mnogo teže ući u orbitu zbog aerodinamičkog otpora, a kamoli biti manje stabilan na usponu.

Sve u svemu, spuštanje repa SpaceX-a je trijumf ne samo dizajna rakete, nego i softvera.Jednostavno nije lako izbalansirati pokretnu, nestabilnu štapu na repu sve do sigurnog slijetanja na vrlo specifičnom mjestu.

Ali to nije prvi

Ovo nije prvi put da je raketa sletjela okomito. Nakon što je krajem prošlog mjeseca prvi put uspješno sletio podmorski motor New Shepard u zapadnom Teksasu, osnivač tvrtke Blue Orbital Jeff Bezos otišao je na Twitter, objavivši snimke lansiranja i slijetanja vozila.

Najrjeđe životinja - raketa koja se koristi. Kontrolirano slijetanje nije lako, ali učinjeno ispravno, može izgledati jednostavno. Pogledajte video: https://t.co/9OypFoxZk3

- Jeff Bezos (@JeffBezos) 24. studenog 2015

Lijepo neizgovoreno bilo je spomenuti neuspjeh SpaceX-a da sleti svoj Falcon 9 - pet spuštenih testova za oceansku vodu i dva neuspješna slijetanja na brod za bespilotne letjelice. Ipak, to je dovelo do nekih oštrih riječi između dva milijardera.

Čestitamo Jeffu ​​Bezosu i BO timu za postizanje VTOL-a na njihovom pojačanju

- Elon Musk (@elonmusk) 24. studenoga 2015

Međutim, važno je razjasniti razliku između "prostora" i "orbite", kao što je dobro opisano na https://t.co/7PD42m37fZ

- Elon Musk (@elonmusk) 24. studenoga 2015

Joj. Međutim, uistinu je to "flip" i potisna opeklina koju izvodi Musk's Falcon 9, što čini slijetanje jedinstvenim postignućem. Dobivanje u prostor zahtijeva brzinu od oko 3 maha, ali za dobivanje na orbitu potrebne su brzine od oko 30 maha, gdje je potrebna energija proporcionalna kvadratu brzine (E ² v²). Ono što je SpaceX postigao s Falconom 9 mnogo je varljivije: razbijanje od orbitalnih brzina do povratka pozornice na tlo s netaknutom raketom nikad prije nije učinjeno.

Musk je istaknuo da je SpaceX leteći sub-orbitalne testne letove sa svojim Falcon 9-R - kodom pod nazivom "Grasshopper" - od 2013. godine.

Jeff možda nije svjestan da je SpaceX suborbitalni VTOL-ov let započeo 2013. Orbitalno iskrcavanje vode 2014. Sljedeće sletanje orbitalnog kopna. https://t.co/S6WMRnEFY5

- Elon Musk (@elonmusk) 24. studenoga 2015

Međutim, nakon uspješnog slijetanja Falcona 9 u ponedjeljak, Bezos nije mogao pomoći u posljednjem kopanju u Musku.

Čestitamo @ SpaceX na slijetanju Falconove suborbitalne faze pojačanja. Dobrodošao u klub!

- Jeff Bezos (@JeffBezos) 22. prosinca 2015

Ne znam koliko ozbiljno uzimaju Bezos i Musk, ali osobno mislim da su milijarderi u svemirskoj utrci upravo ono što nam treba. To je zasigurno mnogo zabavnije od posljednje svemirske utrke, gdje su se dvije nuklearne sile suočile s hrpom ICBM-ova.

Konačno putovanje

Vraćena prva faza Falcona 9 trenutno je još uvijek na podlozi za slijetanje čekajući prijevoz do pogona za preradu.

Dok će se u budućnosti vraćene prve faze Falcona 9 ponovno puniti i reflown - smanjiti operativne troškove SpaceX-a, budući da samo 3% troškova izgradnje i lansiranja ide u istrošeno gorivo - potvrđeno je da je ovaj Falcon 9 barem osvojio. t reflown.

Nakon neuspješnog lansiranja CRS-7, očekuje se da će se SpaceX Dragon vratiti na let u veljači sa CRS-8. Sredinom godine zakazan je debi SpaceX Falcon Heavy, koji uključuje balet triju Falcon 9 jezgara prvog stupnja koji se vraćaju na rt.

Udio

Ostavite Komentar